注氣驅(qū)替深部煤層CH4實驗及驅(qū)替后特征痕跡研究.pdf

1、CO2是溫室效應最主要的貢獻者,利用深部不可開采煤層封存CO2可同時實現(xiàn)CO2大規(guī)模減排和增加煤層氣資源產(chǎn)量(CO2-ECBM),具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。然而我國煤層的滲透率普遍較低,傳統(tǒng)的煤氣層開采方法,排放煤層氣藏中的水分,降低氣藏的壓力,促使煤層氣解吸出來,這種方法只能回收20~60％的CH4,還有相當多的煤層氣滯留在煤層中。為了實現(xiàn)這部分資源的開采,在增加煤層透氣性基礎上,開發(fā)了氣體驅(qū)采煤層CH4技術(shù),但是這種技術(shù)還處于探索階段。本

2、文基于表面化學、滲流力學、有限元數(shù)值分析等理論和方法對CO2驅(qū)替深部煤層CH4動態(tài)過程開展了較系統(tǒng)的實驗與模擬研究;以及現(xiàn)場連續(xù)采取煤樣和氣樣開展在距離注入點不同尺度中的原始煤層中氣體組分濃度及碳同位素的變化,煤體的物理化學結(jié)構(gòu)特性演變研究,獲得地質(zhì)時間內(nèi)煤層條件CO2封存的煤體-氣體結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。
　　對窯街煤田海石灣煤樣進行了煤對CO2、CH4及二元氣體吸附解吸實驗。煤對CO2的吸附量明顯大于煤對CH4的吸附量,約1.36~

3、2.1倍,煤樣對CO2/CH4混合氣體的總吸附量介于煤對CO2和CH4吸附量之間。隨著CO2比例逐漸越高,煤對混合氣體的總的吸附量逐漸增大。二元氣體的游離相和吸附相組分比例關(guān)系,揭示了CO2-CH4二元氣體解吸時CH4優(yōu)先解吸,解吸速度由快轉(zhuǎn)慢;而吸附時,CO2會優(yōu)先吸附,吸附速度由快轉(zhuǎn)慢,上述結(jié)論是煤層中二元氣體競爭吸附和CO2驅(qū)替煤層CH4的重要依據(jù)。
　　自主研發(fā)了一套考慮地應力條件注氣驅(qū)替煤層CH4實驗系統(tǒng),并利用此實驗系

4、統(tǒng)開展了不同注氣壓力(1.5、1.8、2.2MPa),不同應力條件下(14、19MPa)CO2、N2驅(qū)替煤層CH4實驗研究。結(jié)果表明注入0.5個置換體積比后,N2突破出氣口,隨著注氣壓力的升高,突破時間逐漸提前,而且N2突破出氣口后,其濃度緩慢增加。CO2驅(qū)替CH4實驗,驅(qū)替效率較高,煤層里的CH4基本被驅(qū)替出來。注入1.4~2.4個置換體積比,CO2突破出氣口,氣體突破以后CO2濃度迅速在90%以上。隨著注氣壓力的增加,CO2突破時間

5、減小。地應力增加,導致滲透率減小。CO2在煤體中的滲流速度變緩,CO2就能充分的跟煤體發(fā)生吸附作用,致使CO2的突破時間明顯變緩了,由地應力為14MPa時的1.4個置換體積比到地應力為19MPa時的2.4個置換體積比了。地應力顯著影響氣體的驅(qū)替效果。
　　在物理模擬實驗基礎上建立了反映二元氣體競爭吸附、競爭擴散、氣體滲流數(shù)學模型。應用COMSOLMultiphysics求解并建立了數(shù)值模擬平臺,在此數(shù)值模擬平臺上分別對CO2、N2

6、注入煤層后驅(qū)替煤層CH4進行了數(shù)值模擬研究。相同的條件下N2先突破出氣口,而CO2先驅(qū)替完煤層中的CH4。隨著注氣壓力的提高,滲流速度加快,縮短了注氣時間。
　　窯街煤田煤層中深部CO2注入煤層驅(qū)替CH4的這一良好的地質(zhì)背景為研究提供了獨特的視角,采用CO2吸附和壓汞法,進行煤的物理結(jié)構(gòu)分析;同時采用質(zhì)譜儀與色譜儀進行氣體的CO2的δ13C和氣體組分、濃度分析,采用傅里葉紅外光譜儀進行煤的化學結(jié)構(gòu)分析。實驗室試驗及現(xiàn)場試驗表明,隨